0 引言
随着高速铁路路网的不断延伸,同时考虑经济、环保、文物、军事等相关影响因素,线路走向的选取就变得日益复杂和重要.在技术方面不仅要考虑曲线平顺性要求及最小曲线半径的控制,还要考虑不良地质对线路走向的局部控制.高陡边坡、长大顺层、滑坡、泥石流、采空区等不良地质对线路的局部走向和站场的选址起着控制性的作用.
1 岩盐地区地质选线原则
我国是资源大国,地下矿产资源丰富,矿产资源由于长期开采,地下空间形成众多采空区,由于私人开采及早期矿区资料的不完备,造成地下开采巷道及采空区分布不明,这给后期该区域地表构筑物的修建带来了极大的安全隐患,铁路选线中对于采空区一直坚持"仔细勘察,合理绕避"的原则.本文以新建铁路昌吉赣客运专线穿越岩盐矿矿区时的地质选线为背景,详述该原则在此类问题地质选线中的合理应用.
2 工程概况
昌吉赣客运专线,起于南昌西,途经吉安至赣州,线路全长约420 km,为 350 km / h 客专方案.工程位于江西省中南部,线路自南昌市横岗站引出,沿赣抚平原南下,经吉( 安) 泰( 和) 盆地,穿越赣南天湖山,止于赣州市南康站.
2. 1 地形地貌
线路位于罗霄山脉东面,武夷山脉西面的赣抚中游河谷阶地与丘陵区、赣中南低中山与丘陵区,总的地势为南高北低,东西两侧向中部赣江倾斜,赣江自南向北穿越其中.
2. 2 地层岩性
昌吉赣客运专线线路沿线地层分布较为齐全,除奥陶系、志留系地层外,均有分布,以前元古界( Pt) 、震旦系( Z) 、寒武系( ∈) 、白垩系( K) 、第三系( E-N) 地层、多期次岩浆岩侵入体( γ) 、第四系松散沉积层( Q) 分布较为广泛,其余地层零星分布其中.沿线地层岩性较为复杂,前元古界、震旦系、寒武系至中、新生界第三系地层,以陆相和海相的沉积岩碎屑岩为主,岩性一般为凝灰岩、变质砂岩、板岩、千枚岩、砂岩、泥质砂岩、砂砾岩、泥岩、灰岩等以及花岗岩侵入体,大部分为软质岩层.
2. 3 地质构造
清江岩盐矿床位于清江盆地中央凹陷带洋湖凹陷内,呈长椭圆状,走向北东 60°,地层产状平缓,倾角 3° ~7°,总的构造形态呈一开阔平缓的不对称向斜.矿区内褶皱平缓、规模小,北东、北北东向断裂较多,同属继承性基底断裂,将矿床分割为多个阶梯状断块.控制着清江盆地及岩盐矿床的边界.矿体总储量约100 亿 t,为江西省最大的岩盐矿床,主要矿石矿物有岩盐、钾盐、石膏和芒硝等.
清江盆地沉积盖层,主要由白垩系、下第三系及第四系组成.
分述如下:
1) 第四系,层厚约 18 m.
2) 下第三系临江组,层厚 350. 3 m.
3) 下第三系清江组,层厚 1 139. 2 m.矿床主要赋存于清江组一、二段.
4) 白垩系上统南雄组,层厚大于 1 000 m.
2. 4 岩盐矿区调查
线路穿过采空区范围内约 15 km,前期采用贯通方案( 穿越矿区) 及沪昆铁路樟树并站方案和沿赣江方案为论证方案.拟建线路附近有多家大型企业的规划开采区及采空区等多个盐矿规划开采区域或采空区位.此外该区域分布有多个已关停小盐矿.
2. 5 岩盐矿采空区形成原因及对铁路的危害
岩盐矿开采方法为水溶采矿法,该方法通过钻井或井巷形成一通道至岩盐层,然后向可溶岩层注入淡水,与可溶岩相互作用形成含可溶性矿物溶液,然后抽取溶液返回至地面,加工提炼,该工序循环进行开采地下矿物( 见图 1) .该方法可分为单井生产和井组生产.地下矿产的开采过程中会在地下形成一定形态和大小的采空区.地下矿层开采形成采空后其上方覆盖的岩土体将失去支撑,原有的应力平衡状态将被破坏,致使上方岩层产生移动变形,直到破坏塌落,坍塌连续不断的发展还会使地表大面积下沉、凹陷甚至形成移动盆地,造成地表建筑物开裂、倾斜甚至破坏.同时,在采用此种方法开采地下矿产时,由于地下矿脉细部走向及倾向的不确定性,造成水蚀矿床形成采空区及边界的不确定性,并且由于岩盐矿赋存于地下 - 837. 75 m ~ -1 021. 4 m,现有地球物理探测技术如浅层地震法、测氡法、EH-4、瞬变电磁法等均无法在深度和广度上做到准确测量,故无法定量确定采空区具体空间形态.
3 选线方案及最小安全距离计算
预可行性研究阶段,初步拟定三条线位,分别为贯通方案( 穿越矿区) 、沪昆铁路樟树并站方案和沿赣江方案.初测外业勘查初期,随着调查的深入和资料收集的日益翔实,主推方案( 穿越矿区) 未进入各岩盐矿批复开采区,但是已进入矿区扩界范围.本文以 CK102 ~ CK106 线位附近某矿区为例,对线路通过矿区的安全性进行论证.
依据盐化公司提供相关资料揭示,该矿区开采面积为1. 048 1 km².同时盐化公司提出在矿段东部进行扩界,将采矿区面积扩大 1 km²左右,主推线位与矿区边界最近距离为 783 m.
3. 1 最小安全距离的确定
本文根据《铁路工程地质手册》确定最小安全距离.
3. 1. 1 围护宽度的确定
江西省吉安市新干县大洋洲镇境内特大桥区段,根据住房和城乡建设部、国土资源部、铁道部关于发布《新建铁路工程项目建设用地指标》的通知,一般结构桥梁范围内桥梁用地宽度为桥下设检查通道一侧距线路中心线为 7. 2 m,双线铁路线间距为 5 m,参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷盐柱留设与压盐开采规程》第 59 条要求,每边另加 20 m 围护带宽度( 按国家一级铁路等级确定) ,综合考虑保护宽度取 150 m.
3. 1. 2 留设矿柱参数( 移动角) 的确定
矿山开采设计中,根据矿山开采的具体方式和需要保护的建筑物,综合考虑留设矿柱.因此需要保护的矿柱留设参数,参照铁道部第一勘测设计院主编的《铁路工程地质手册》中提供的盐矿移动盆地地表移动参数.进行分析整理后,采用参数为 ? 取40°,δ 取 55°.
3. 1. 3 最小安全距离确定
从昌吉赣铁路客运专线 CK102 ~ CK106 段压覆大洋洲镇勘探区盐层资源储量估算图可知,拟建铁路 CK102 ~ CK106 段距离盐层底板埋深在 -837. 75 m ~ -1 021. 4 m.
1) 留设保护盐柱计算
根据所确定的参数,拟建铁路 CK102 ~ CK106 段附近安全保护距离计算如下:
该段地面标高约 28. 6 m,钻孔揭露松散层厚 17 m.
松散层水平投影距:
盐层底板最大埋深为 -1 021. 4 m,因此基岩厚为 1 021. 4 +28. 6 - 17 = 1 033 m.
基岩水平投影距:
2) 该盐层的安全保护距离
723. 31( 基岩水平投影距) + 20. 26 ( 松散层水平投影距) +150( 安全保护带宽) = 893. 57 m.
依据计算可知,矿区边界与线位最近距离小于安全保护距离,同时依据《铁路运输安全保护条例》确立的铁路两侧 1 000 m范围内禁止从事采矿、采石及爆破作业的规定,线位与采空区距离存在安全隐患.
3. 2 最小安全距离计算结果
采用此方法对线路附近矿区边界最小安全距离计算,结果如表 1 所示.
4 方案比选结果
计算可知,线路采用通过矿区方案时,由于沿线路左右侧分布众多已采或在采矿区,即便从未开采区域通过,仍无法保证安全柱宽度.同时由于盐业为当地支柱产业,新建铁路压覆矿产,势必会遭到当地企业及职能部门的反对.贯通方案( 穿越矿区)方案尽管在线型的平顺性、造价的经济性方面存在优势,但是综合考虑,该方案被予以否定.同样,由于岩盐矿边界往西达到赣江西岸,沿赣江方案亦被否定.最终,在可行性研究阶段,对沪昆铁路樟树并站方案予以优化,采用沿沪昆、京九通道组合方案为推荐方案,采用该方案会增加一定的工程造价及施工难度,但是相对于原方案而言,完全绕避了矿区,避免可采空区的潜伏性危害,同时也避免了对当地经济产生的影响.
5 结语
在全面、翔实的收集、整理、分析已有矿区资料的基础上,采用定性分析与定量计算相结合的方法进行压覆矿产资源安全距离论证,确保工程构筑物的安全性和经济效益的最合理化.
尽管矿区地表目前未出现坍塌及裂缝,但通过类比其他国家类似工程案例,采空区对地表构筑物影响显着,危害性强.若要在矿区开辟通道通过时,要确保线路左右侧的安全距离,同时由于矿区资源紧张,选线期间,在不能共通道的前提下,要确保该通道未被高速公路及高压输电线路等设施占用.
对于不良地质体的勘查,坚持"仔细勘察,合理绕避"的原则.目前尽管矿区未出现坍塌及裂缝,同时矿区亦着手建立观测网监测地表变形情况,避免采空塌陷.但是目前矿区范围内未采区域所形成通道无法确保线路左右侧安全距离.故昌赣客运专线该区段方案对于矿区采取了绕避,线路东移与既有京九线共通道.
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